工程材料的力学性能课件.ppt

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1、本章内容1 材料的强度与塑性2 材料的硬度3 材料的冲击韧性4 材料的疲劳强度5 材料的断裂韧度,重点掌握 各种力学性能指标（强度, 塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。,第一章 工程材料的性能,本章内容重点掌握第一章 工程材料的性能,材料的力学性能,定义 : 材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。,材料的力学性能定义 :,第一节 静载时材料的力学性能,*拉伸试验及拉伸曲线,*

2、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义,一.静拉伸试验,第一节 静载时材料的力学性能*拉伸试验及拉伸曲线*拉伸曲线所,微机屏显式液压万能试验机,可用于各种金属材料，非金属材料的拉伸，压缩，弯曲，剪切等力学性能试验。,微机屏显式液压万能试验机 可用于各种金属材料，非金属材,拉伸试样：,GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0,拉伸试样：GB6397-86规定金属拉伸试样有：,低碳钢拉伸曲线,拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：,低碳钢拉伸曲线拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：,op段：比例弹性变形阶段；pe

3、段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。,k,o,g,f,拉伸曲线,op段：比例弹性变形阶段；l Fl bl ul,应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F 载荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始横截面积( mm2)应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: l伸长量(mm ) = l 0原始长度( mm) 应力应变曲

4、线（ - 曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同,应力与应变曲线,应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以,二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1刚度和弹性 刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。 弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。 比例极限：p=Fp/Ao 应力应变保持线性关系的极限应力值,二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义,2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即： E= / 材

5、料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。,E= / ,1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。,（一）、弹性与刚度,2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。E= / ,弹性极限: Fe 弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截面积( mm2),e,弹性极限:,（二）强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。,种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,1、 屈服点 与屈服强度: 产生明显塑性变形的最

6、低应力值.,s,（二）强度: 种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度,屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力,试样产生0.2%残余塑性变形,屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)0.2：,屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),屈服点 s 、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,F b 试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M Pa ) S 0 试样原

7、始横截面积( mm2),b,s,e,2、抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。,bse2、抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。,（三）、塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,1、 断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩量 S与原始横截面积S0之比。,2、伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之比。,S0 - S 1 = - 100% S0,l 1 - l0 = - 100% l0,（三）、塑性: 1、 断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的, 10% 属塑性材料,思考:同一材料5 10？,u,b,塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑

8、性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。, 2 5% 属脆性材科思考:同一材料,延伸率 延伸率与试样尺寸有关；5、10 (L0=5d,10d) 思考:同一材料5 10？ 断面收缩率 时，无颈缩，为脆性材料表征； 时，有颈缩，为塑性材料表征。,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,延伸率 断裂后拉伸试样的颈缩现象,拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？,练习题一,解：=（71-50）/50 x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78

9、.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%,拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后,某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？,练习题二,某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410M,解： 根据试验结果计算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/

10、(3.14x52 )=439.5 410MPa 5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。,某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？,解： 根据试验结果计算如下：某工厂买回一批材料（要求：s,二、 材料的硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。,1布氏硬度：,二、 材料的硬度1布

11、氏硬度：,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在4,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为

12、120。,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数,10HRCHBS,2洛氏硬度：,h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRCHBS2,2洛氏硬度,按压头和载荷的不同，有：B、C、A三种：表1-1 HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。 HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。,2洛氏硬度按压头和载荷的不同，有：B、C、A三种：表1-1,3.维氏硬度,维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既

13、可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,第二节 动载时材料的力学性能,一、冲击韧度,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。第二节,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),冲击韧度值a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,AK a k = (J/cm) S0,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,ak值

14、低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状 。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,ak值低的材料叫做脆性材料，,二、疲劳强度,表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。,二、疲劳强度 表示材料经无数次交变载荷作 用而不致,疲劳强度 （80%的断裂由疲劳造成）,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,疲劳强度

15、（80%的断裂由疲劳造成）疲劳：承受载荷的大小和,钢材的循环次数一般取 N = 107,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55) b,钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取,疲劳强度-1 ：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,工程材料的力学性能课件,1943年美国T-

16、2油轮发生断裂,1943年美国T-2油轮发生断裂,疲劳断口,通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形,第三节 材料的断裂韧性 1问题的提出 低应力脆断断裂力学 断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.,I,第三节 材料的断裂韧性I,2应力场强度因子K 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，

17、形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数“应力场强度因子”。,I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹 Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关 的系数几何形状因子。,Y=,I,2应力场强度因子K I：单位厚度，无限大平板中,断裂韧性 对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。 这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。,断裂韧性,当KI KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KI KIC时，裂纹处于临界状态 K I KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。,KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。,当KI KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KIC,